本文转载自雷锋网量子计算正在升温，越来越多的公司竞相对量子计算技术进行基准测试、巩固和商业化。截至2021年7月，一个来自中国的团队似乎在原始性能方面处于领先地位，谷歌、IBM、英特尔和其他量子计算机开发商紧随其后，开发出了第一波量子计算机。不过，所有这一切都可能在一夜之间发生改变，而且这些系统仍处于起步阶段，尚未运行任何有用的商业应用程序——现在宣布量子计算的赢家还为时过早。惊人的量子计算到目前为止，量子计算确实取得了显着进步，并从超级计算机中脱颖而出。在经典计算中，信息以位存储，可以是“0”或“1”。在量子计算中，信息存储在量子位或Qubits中，它可以以“0”或“1”或两者的组合形式存在。叠加态使量子计算机能够一次执行多项计算，使其性能优于传统系统。但该技术面临诸多挑战，许多行业专家认为这些系统距离实用化还有十年的时间。然而，这并没有阻止企业、政府、研发机构和大学研究和开发相关技术，他们仍在向这一领域倾注数十亿美元。如果实现，这些技术可以加速新化学品、药物和材料的开发，并破解任何加密系统，为公司和国家提供竞争优势。因此，研发量子计算技术成为许多国家科技发展的重中之重。“量子计算处于国家计划的最前沿，”FormFactor的高级副总裁AmyLeong说。“该领域已宣布投资超过200亿美元，涉及15个国家。像美国和中国这样的地缘政治强国肯定在量子霸权的竞赛中处于领先地位，其次是来自欧洲和亚洲的国家。”许多其他国家。”中国科学技术大学(USTC)于2021年6月取得重大进展，展示了研究人员声称的世界上最快的量子计算处理器，超过了谷歌自2019年以来一直保持的53量子位设备的非官方记录。中国科学技术大学的一个66量子位处理器在1.2小时内完成了一个复杂的计算——在今天的超级计算机上需要8年才能完成的计算。“当我看到第一个应用程序时，我意识到我们需要数千甚至数十万个量子比特来做一些有用的事情，”英特尔量子硬件总监JamesClarke说。到60个量子比特，要达到100万个量子比特需要更多的时间——这对密码学来说是非常必要的。基于一系列技术，如超导量子比特、离子阱和硅量子比特，每个阵营的供应商都声称他们的技术非常出色，将使量子计算机实用化。量子计算机市场预计将从3.2亿美元增长到根据HyperionResearch的数据，2020年到2024年将达到8.3亿美元。超越经典计算但不可替代从历史上看，计算领域取得了巨大进步。1945年，宾夕法尼亚大学开发了ENIAC，这是第一台通用电子数字计算机，它使用真空管控制的电子设备来处理数据，每秒可以执行5,000次加法。1947年，晶体管的出现改变了一切；从1950年代开始，在许多系统中，晶体管取代了真空管，使计算机速度更快。1964年，现已倒闭的ControlDataCorporation推出了世界上第一台超级计算机CDC6600-基于晶体管的CDC6600集成了60位处理单元和2MIPS（每秒百万条指令）性能设备。今天，智能手机比早期的电脑更快。以iPhone12为例，其采用了基于台积电5nm工艺的A14处理器。A14包含118亿个晶体管，拥有6核CPU和16核神经引擎，每秒可执行11万亿次运算。在高性能计算方面，来自日本的Fugaku超级计算机在2021年保持了全球最快超级计算机的地位。富岳由日本理化学研究所（Riken）和日本信息通信技术公司富士通（Fujitsu）共同打造。它采用基于Arm架构的A64FX处理器，拥有7,630,848个内核，可以达到每秒442petaflops（petaflop是每秒执行1,000次。Teraflops）的性能。目前，Fujigaku正在运行，并被用于各种研究项目。“Fujigaku首次将技术应用于大型服务器的通用CPU，例如7nm工艺技术、封装集成HBM2、TB级流媒体功能和片上嵌入式高性能网络，”说RikenComputingScienceCenter主任SatoshiMatsuoka于2021年在VLSI技术与电路研讨会上发表的一篇论文中。美国光刻工具公司D2S的首席执行官AkiFujimura说：“我们已经进入了千万亿次浮点数时代。”“世界上有许多研究计算机正在接近1000petaflops。十年后，我们将拥有许多exaflops计算机。”事实上，业界需要更多的计算能力来解决生物问题。技术、国防、材料科学、医学、物理学和天气预报方面的当前和未来问题。“我们需要以同样的价格提供更多的计算能力，我们需要解决的问题越来越难，我们在服务上面临的问题也越来越大，”藤村说。当然，在传统计算不断进步的同时，业界也在积极发展量子计算——理论上，这些基于量子计算的新系统有望超越当今的超级计算机，从而加速新技术的发展。在遥远的未来，量子计算机有望在合理的时间内破解世界上一些最复杂的算法，包括用于整数分解问题的Shor算法和广泛使用的公钥加密方案RSA。诞生于1980年代的量子计算多年来取得了一些重大进展：最近，两个系统实现了“量子至上”，这意味着量子计算机可以做一些经典计算机做不到的事情。尽管如此，量子计算仍处于起步阶段。一方面，量子计算系统在不断发展。另一方面，人们也在不断寻求利用量子计算系统寻找相应的应用领域。IBM量子硬件系统开发总监JerryChow表示：“目前存在的所有系统主要用于探索未来的量子应用，包括用于量子化学的变分量子算法，以及用于机器学习的量子核估计方法。今天部署的系统从基准测试和性能表征的角度来看也很有趣，并且能够理解潜在的噪声源以改进这些系统的未来迭代。另一个方面是探索量子纠错的概念。但值得注意的是，即使量子计算机释放它们的潜力，它们不会取代今天的计算机。“量子计算显然是解决某些类型计算问题的重要未来技术。D2S的Fujimura说：“质因数分解是另一种众所周知的量子计算优于经典计算的运算。”在某种程度上，量子计算是经典计算的增强版。在更大的范围内，量子计算不会取代经典计算，经典计算更适合我们需要计算的许多任务。”今天的量子计算机不同，就像一个巨大的枝形吊灯；这些系统被安置在稀释冰箱中，屏蔽处理器和其他来自外部噪声和热量的组件。该装置将设备冷却至10到15毫开尔文。IBM的量子系统量子计算机的一个家族，图片由IBM提供量子处理器是一个包含许多量子比特的量子系统。这些量子比特来自在两种配置中，一个量子位门和两个量子位门。考虑一个量子处理器，它有16个量子位，排列在一个二维4X4阵列中。前三行（从上到下）可能由一个量子位门组成，并且最后一行可能有两个量子位门。在经典计算中，一个数字输入计算机，计算一个函数并输出一个数字。但是在量子计算机中，处理函数是再复杂。研究人员在英特尔实验室调整稀释制冷机，图片由英特尔提供“如果你有‘n’位，你就有数据的2n次幂。这是一种数字呈指数增长的状态，一次只能处理一个状态。所以，它在时间或空间上呈指数级增长，”麻省理工学院(MIT)教授威廉·奥利弗(WilliamOliver)在视频演示中解释道。“另一方面，量子计算机可以同时将这两个不同的组件置于叠加状态。这是我们在量子计算机中看到的指数加速的基础。”量子计算机还有其他优势。“要使量子计算机的功能加倍，您只需添加一个量子位。它是指数级的。MoorInsights&Strategy分析师保罗·史密斯-古德森(PaulSmith-Goodson)表示：“量子计算机要想在摩尔定律方面赶上经典计算机，它们只需要每24个月增加一个量子比特。”在运行中，有一些因素会阻碍量子计算计算无法发挥其全部潜力。根据IBM的说法，由于噪声，量子比特通常会在100微秒内失去其特性。这就是为什么量子比特必须在极冷的环境中运行。量子位对其环境非常敏感，”美国晶圆探测器公司FormFactor的Leong说。“在极冷或低温环境中安静量子位环境至关重要。“此外，噪声会导致量子位错误，这就是量子计算机需要纠错的原因。最重要的是，该行业需要将量子计算机扩展到数千个量子位，而目前的状态远不及这个数字。总而言之，量子计算需要一些突破。英特尔的克拉克说：“对于整个领域，我们需要让量子位比我们今天能做的更好。对我来说最大的挑战是如何连接它们。”每个量子比特都需要自己的电线和控制盒。有效控制在50或60个量子位状态下很容易，但在100万个状态下效果不佳。“制造高产量子比特也很关键，OntoInnovation和其他公司正在围绕该技术开发计量控制系统。“目前，我们已经对一些晶圆或试片进行了测量，”Onto高级副总裁KevinHeidrich说：“量子领域大多数基础技术背后的关键是利用为经典计算开发的制造技术。然而，许多人正在调整设备、设计和集成以启用量子/量子位设备。我们的主要工作是使精确和特征化的设备能够实现各种形式的量子计算，例如光子或自旋量子比特。我们的重点是提供计量解决方案，使我们的开发合作伙伴能够最好地表征他们的早期设备，包括精确的侧壁控制、材料厚度和界面质量等。超导量子位取得最大进展中国科学技术大学牵头据《量子计算报告》（《量子计算报告》），现在有98个单位在研究量子计算机或量子位。其中，量子位的类型是所开发的公司包括离子陷阱（Iontrap）、中性原子（NeutralAtoms）、光子学（photonics）、硅自旋（SiliconSpin）、超导和拓扑学（topological）。值得一提的是，以上每种类型都有自己的优点和缺点。不利的一面是，现在比较哪种技术更好还为时过早。”我们真的不知道哪种技术将是构建大规模容错机器计划的正确技术。一些公司制定了五年路线图，使他们能够拥有足够的量子比特来做一些真正有意义的事情。分析公司MoorInsights&Strategy的SmithGoodson表示：“就安装基础而言，IBM拥有很多机器，它拥有20多台量子计算机，没有人能与之匹敌。”它围绕这些量子计算机构建了一个巨大的生态系统，许多大学和公司都与它们合作。“到目前为止，超导量子比特取得了最大进展。在这一类别中，D-Wave公司通过使用量子退火（一种解决优化问题的技术）获得了关注。例如，如果你遇到组合问题，则量子退火系统可以从许多组合中搜索出最好的一个——这些能力已经在一定程度上得到了证明。真正活跃在量子计算机市场上的大多数是超级计算量子位。谷歌、IBM、英特尔、麻省理工学院、Rigetti、中国科学技术大学等等。开发该领域的产品。超导量子位围绕约瑟夫森结构建，也称为超导隧道结。通常由两个超导体制成，超导体被非常薄的非超导层隔开，在操作中，电子配对并穿过约瑟夫森结。2014年，IBM展示了3位设备；如今，IBM量子计算机销量已达到65位。??最新的量子计算报告显示，IBM的整体量子位合作unt在超导领域仍处于行业领先地位。在非官方排名中，中国科学技术大学以66个量子比特位居第一；IBM以65个量子位紧随其后，谷歌以53个量子位紧随其后，英特尔(49)和Rigetti(32)。当然，量子比特的数量并不是构建量子计算机的唯一因素，还必须具有相对较长的相干时间和门保真度。“量子比特和量子处理器是量子硬件的核心部分，”IBM的Chow说。“要构建量子计算机或量子计算系统，我们不仅需要量子硬件，还需要控制电子设备、经典计算单元和运行量子计算程序的软件。”在这方面，IBM提供了Qiskit，一个开源的量子软件开发工具包。“我们的目标是广泛参与开发者社区并建立一个量子生态系统，使用量子计算机作为用户研究和商业的基本工具，”Chow说。该行业还需要具有数千个量子比特的系统，虽然制造商在这方面还有很长的路要走，但结果令人鼓舞。2019年，谷歌的53量子比特处理器Sycamore在200秒内完成了一次计算。谷歌声称，完成同样的任务需要一台超级计算机大约10,000年。随后，2021年6月，中国科学技术大学发表了一篇关于66位超导量子处理器“祖冲之”的论文。在计算中，中国科学技术大学使用了56个量子比特，其执行任务的速度是谷歌53量子比特处理器的两到三倍。“我们预计，这种大规模、高性能的量子处理器将使我们能够在不久的将来追求超越经典计算机的有价值的量子应用，”中国科学技术大学教授潘建伟在一篇论文中说。中国和其他地方的结果有待进一步讨论。许多公司和机构报告他们的结果时没有使用任何基准，包括量子体积，这是一种表示量子计算机有效性的指标。“这不仅仅是关于量子比特。我们不知道这些系统中有多少会起作用。如果没有纠错，也没有明确的目标，你可以添加任意数量的量子比特，但它永远不会。”变得更强壮，”来自MoorInsights&Strategy的SmithGoodson说。除了中科大，超导量子比特也在其他单位研发：Rigetti推出了多芯片量子处理器，有望在今年年底实现80量子比特系统。今年晚些时候，IBM将发布Eagle，一款127量子比特的量子处理器。此外，IBM正在开发一款433量子位的处理器，预计在2022年推出，1121量子位的设备预计在2023年推出。谷歌已经找到了降低量子位错误率的方法，它还计划在2029年之前开发出百万量子位的处理器。离子陷阱量子位，IonQ排名第一离子陷阱量子位是另一项有前途的技术。对于离子阱，离子（带电原子或分子）是量子处理器的核心。根据该技术的开发者IonQ的说法，该技术使用捕获的离子作为纠缠的量子比特，完成从初始准备到最终读出的所有工作。根据量子计算报告，在离子阱中，IonQ以32个量子位领先，其次是AQT（24个）、霍尼韦尔（10个）等。在研发方面，桑迪亚国家实验室正在开发QSCOUT，这是一个基于离子阱量子比特的量子计算机测试平台。QSCOUT是一个3量子比特系统。随着时间的推移，Sandia计划将该系统扩展到32个量子比特。通过QSCOUT，桑迪亚国家实验室向最终用户提供开放访问程序。“用户不仅可以指定他们想要应用哪些门（每个电路由许多门组成）以及何时应用，而且他们还可以指定门本身是如何实现的，因为有很多方法可以达到相同的结果。这些工具使用户能够深入了解量子计算机在实践中是如何工作的，以帮助我们找出构建更好计算机的最佳方法，”桑迪亚物理学家兼QSCOUT主任苏珊·克拉克说。“由于我们是一个测试平台系统，在我们机器上运行的代码是由用户生成的，用户对在量子计算机上运行什么有很多想法，”克拉克说。“32个量子比特仍然足够小，可以在经典计算机上完全模拟，所以构建一个更小的系统的目的不是做经典计算机不能做的事情。“Clark列举了构建较小系统的两个重要原因：研究如何将问题映射到量子计算机上，这是在未来更大的系统（量子化学、量子系统模拟）上实现最佳性能的最佳方式；了解将使量子计算机工作得更好，因此可以应用于更大的机器。像超导量子位市场一样，有一波对离子阱的兴趣。例如，霍尼韦尔正在剥离其量子计算部门，并将与剑桥量子计算公司合并单元——霍尼韦尔还展示了实时纠正量子错误的能力。同时，IonQ客户可以通过谷歌的云服务购买其量子计算机的访问权。英特尔的硅自旋量子（siliconspinQuantum）承诺制造最小的量子芯片，也很有前途。硅自旋量子比特也很有前途，Leti、Intel、Imec等都在研究这项技术，其中Intel以26量子比特领先，根据《量子计算报告》。“我们在这里做的是制造一个单电子晶体管，”英特尔的克拉克说。“我们正在制造一个通道中只有一个电子的晶体管。这个单个电子可以向上或向下自旋，向上和向下自旋分别代表“0”和“1”。“关键是让电子进入叠加态。当电子自旋一次时，它就是一个量子比特，”克拉克说。“如果你有两个彼此靠近的电子，或者其中两个自旋量子比特，那么你可以开始执行运算，就可以开始使用量子纠缠。“硅自旋量子比特有一些优势。”“英特尔的自旋量子比特比其他一些量子比特技术小一百万倍，”克拉克说。“未来我们将需要10万到100万个量子比特。”当我设想未来的量子芯片会是什么样子时，它看起来会与我们当前的处理器相似。“此外，自旋量子比特使用一些与半导体工厂相同的工艺和工具，这些工艺不涉及前沿节点。”能力，”克拉克说。自旋量子比特芯片放置在铅笔橡皮擦的尖端，图片来自WaldenKirsch/英特尔硅自旋量子比特市场也很热闹：英特尔推出第二代低温控制芯片HorseRidgeII。该设备介绍了将量子计算机运行的控制功能引入低温冰箱，可以简化量子系统控制布线的复杂性。CEA-Leti开发了一种可以集成量子计算设备的中介层，即中介层连接量子比特和控制芯片。Imec在300mm集成工艺中设计具有可调谐耦合的统一自旋量子位设备。英特尔和FormFactor分别开发了冷冻探针，这是一种在低温下表征量子比特的系统。后面写的除了上面的量子比特类型，还有更多的探索空间。“在光学领域，人们正在使用光粒子，这看起来是一项很有前途的技术，”来自MoorInsights&Strategy的Smith-Goodson说。目前还不清楚哪种技术会随着时间的推移而流行，即使是对于轻粒子也是如此。或许更大的问题是，量子计算的未来是否会像当今媒体大肆宣传的那样真正发挥作用。但值得注意的是，许多国家和公司都在这项技术上押下了重注——至少目前，所有相关进展都值得关注。
